第1節(jié)課 金屬的晶體結(jié)構(gòu)

第二章金屬及合金的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶內(nèi)容簡介:

金屬性能與內(nèi)部的晶體結(jié)構(gòu)和組織狀態(tài)密切相關(guān),本環(huán)節(jié)主要介紹金屬與合金的晶體結(jié)構(gòu)、晶體缺陷及金屬結(jié)晶的基本規(guī)律。學(xué)習(xí)目標(biāo)：1、掌握晶體的概念及常見的晶體結(jié)構(gòu)和晶體結(jié)構(gòu)缺陷對性能的影響；2、掌握固溶體和金屬化合物基本相結(jié)構(gòu)的區(qū)別及性能特點；3、了解純金屬的結(jié)晶過程和晶粒大小對金屬性能的影響及細(xì)化晶粒的方法。金屬的結(jié)構(gòu)物質(zhì)由原子組成。原子的結(jié)合方式和排列方式?jīng)Q定了物質(zhì)的性能。原子、離子、分子之間的結(jié)合力稱為結(jié)合鍵。它們的具體組合狀態(tài)稱為結(jié)構(gòu)。C601金屬鍵與金屬特性以金屬鍵結(jié)合為主良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、延展性和金屬光澤用量最大、應(yīng)用最廣泛1.1.2材料的結(jié)合方式2共價鍵如金剛石3離子鍵如NaCl4分子鍵（氫鍵）1.1.2材料的結(jié)合方式二、金屬的晶體結(jié)構(gòu)一、晶體結(jié)構(gòu)的基本概念金屬的結(jié)構(gòu)晶態(tài)非晶態(tài)SiO2的結(jié)構(gòu)1、晶體與非晶體晶體是指原子呈規(guī)則排列的固體。常態(tài)下金屬主要以晶體形式存在。晶體具有各向異性。非晶體是指原子呈無序排列的固體。在一定條件下晶體和非晶體可互相轉(zhuǎn)化。2、晶格與晶胞⑴晶格：用假想的直線將原子中心連接起來所形成。的三維空間格架。直線的交點（原子中心）稱結(jié)點。由結(jié)點形成的空間點的陣列稱空間點陣⑵晶胞：能代表晶格原子排列規(guī)律的最小幾何單元。⑷晶系：根據(jù)晶胞參數(shù)不同，將晶體分為七種晶系。90%以上的金屬具有立方晶系和六方晶系。立方晶系：a=b=c，===90六方晶系：a1=a2=a3

c，==90，=120立方六方四方菱方正交單斜三斜⑶晶格常數(shù)：晶胞個邊的尺寸

a、b、c。各棱間的夾角用、、表示。⑸原子半徑：晶胞中原子密度最大方向上相鄰原子間距的一半。⑹晶胞原子數(shù)：一個晶胞內(nèi)所包含的原子數(shù)目。⑺配位數(shù)：晶格中與任一原子距離最近且相等的原子數(shù)目。⑻致密度：晶胞中原子本身所占的體積百分?jǐn)?shù)。3、立方晶系晶面、晶向表示方法晶體中各方位上的原子面稱晶面。各方向上的原子列稱晶向。⑴晶面指數(shù)表示晶面的符號稱晶面指數(shù)。其確定步驟為：①

確定原點，建立坐標(biāo)系，求出所求晶面在三個坐標(biāo)軸上的截距。②

取三個截距值的倒數(shù)并按比例化為最小整數(shù)，加圓括弧，形式為（hkl）。例一.求截距為、1、晶面的指數(shù)

截距值取倒數(shù)為0、1、0，加圓括弧得（010）例二.求截距為2、3、晶面的指數(shù)

取倒數(shù)為1/2、1/3、

0,化為最小整數(shù)加圓括弧得（320）例三.畫出（112）晶面

取三指數(shù)的倒數(shù)1、1、1/2,化成最小整數(shù)為2、2、1，即為X、Y、Z三坐標(biāo)軸上的截距⑵

晶向指數(shù)表示晶面的符號稱晶面指數(shù)。其確定步驟為：①

確定原點，建立坐標(biāo)系，過原點作所求晶向的平行線。②求直線上任一點的坐標(biāo)值并按比例化為最小整數(shù)，加方括弧。形式為[uvw]。例一、已知某過原點晶向上一點的坐標(biāo)為1、1.5、2，求該直線的晶向指數(shù)。將三坐標(biāo)值化為最小整數(shù)加方括弧得[234]。例二、已知晶向指數(shù)為[110],畫出該晶向。找出1、1、0坐標(biāo)點,連接原點與該點的直線即所求晶向。[110][234]說明：①

在立方晶系中，指數(shù)相同的晶面與晶向相互垂直。②遇到負(fù)指數(shù)，“-”號放在該指數(shù)的上方。--③晶向具有方向性，如[110]與[110]方向相反。XZY(221)[221][110][110]二、金屬的晶體結(jié)構(gòu)1、純金屬的晶體結(jié)構(gòu)金屬原子是通過正離子與自由電子的相互作用而結(jié)合的，稱為金屬鍵。金屬原子趨向于緊密排列。價電子云正離子金屬鍵示意圖具有良好的導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性、延展性及金屬光澤。常見純金屬的晶格類型有體心立方(bcc)、面心立方(fcc)和密排六方(hcp)晶格。⑴

體心立方晶格體心立方晶格體心立方晶格的參數(shù)體心立方晶格原子個數(shù)：2配位數(shù)：

8致密度：0.68常見金屬：-Fe、Cr、W、Mo、V、Nb等晶格常數(shù)：a(a=b=c)原子半徑：⑵面心立方晶格面心立方晶格面心立方晶格的參數(shù)

a42r=：原子半徑原子個數(shù)：4配位數(shù)：

12致密度：0.74常見金屬：

-Fe、Ni、Al、Cu、Pb、Au等晶格常數(shù)：a面心立方晶格⑶密排六方晶格密排六方晶格的參數(shù)a21r=：原子半徑原子個數(shù)：6配位數(shù)：

12致密度：0.74常見金屬：

Mg、Zn、Be、Cd等晶格常數(shù)：底面邊長a和高c，

c/a=1.633密排六方晶格⑷三種常見晶格的密排面和密排方向單位面積晶面上的原子數(shù)稱晶面原子密度。單位長度晶向上的原子數(shù)稱晶向原子密度。原子密度最大的晶面或晶向稱密排面或密排方向。密排面數(shù)量密排方向數(shù)量體心立方晶格{110}6<111>4面心立方晶格{111}4<110>6密排六方晶格六方底面1底面對角線3三種常見晶格的密排面和密排方向六方底面底面對角線密排六方晶格面心立方晶格體心立方晶格體心立方(110)面面心立方(111)面密排六方底面面心立方晶格與密排六方晶格密排面的堆垛順序密排六方晶格的堆垛順序為ABABAB…面心立方晶格的堆垛順序為ABCABCABC…三、金屬的實際晶體結(jié)構(gòu)與晶體缺陷2、實際金屬的晶體結(jié)構(gòu)變形金屬晶粒尺寸約1~100m，鑄造金屬可達(dá)幾mm。純鐵組織晶粒示意圖⑴單晶體與多晶體單晶體：其內(nèi)部晶格方位完全一致的晶體。多晶體：晶粒：實際使用的金屬材料是由許多彼此方位不同、外形不規(guī)則的小晶體組成，這些小晶體稱為晶粒。沿晶斷口鉛錠宏觀組織晶界：晶粒之間的交界面。晶粒越細(xì)小，晶界面積越大。多晶體：由多晶粒組成的晶體結(jié)構(gòu)。光學(xué)金相顯示的純鐵晶界多晶體示意圖⑵晶體缺陷晶格的不完整部位稱晶體缺陷。實際金屬中存在著大量的晶體缺陷，按形狀可分三類，即點、線、面缺陷。①點缺陷

空間三維尺寸都很小的缺陷?？瘴婚g隙原子置換原子a.

空位：晶格中某些缺排原子的空結(jié)點。b.

間隙原子：擠進(jìn)晶格間隙中的原子?？梢允腔w金屬原子，也可以是外來原子。體心立方的四面體和八面體間隙c.

置換原子：

取代原來原子位置的外來原子稱置換原子。點缺陷破壞了原子的平衡狀態(tài)，使晶格發(fā)生扭曲，稱晶空位間隙原子大置換原子小置換原子格畸變。從而使強(qiáng)度、硬度提高，塑性、韌性下降。空位和間隙原子引起的晶格畸變②線缺陷—晶體中的位錯位錯：晶格中一部分晶體相對于另一部分晶體發(fā)生局部滑移，滑移面上滑移區(qū)與未刃型位錯

螺型位錯滑移區(qū)的交界線稱作位錯。分為刃型位錯和螺型位錯。刃型位錯和螺型位錯刃位錯的形成刃型位錯：當(dāng)一個完整晶體某晶面以上的某處多出半個原子面，該晶面象刀刃一樣切入晶體，這個多余原子面的邊緣就是刃型位錯。半原子面在滑移面以上的稱正位錯，用“┴”表示。半原子面在滑移面以下的稱負(fù)位錯，用“┬”表示。位錯密度：單位體積內(nèi)所包含的位錯線總長度。=S/V(cm/cm3或1/cm2)金屬的位錯密度為104~1012/cm2位錯對性能的影響：金屬的塑性變形主要由位錯運(yùn)動引起，因此阻礙位錯運(yùn)動是強(qiáng)化金屬的主要途徑。減少或增加位錯密度都可以提高金屬的強(qiáng)度。金屬晶須退火態(tài)(105-108/cm2)

加工硬化態(tài)(1011-1012/cm2)

電子顯微鏡下的位錯透射電鏡下鈦合金中的位錯線(黑線)高分辨率電鏡下的刃位錯（白點為原子）電子顯微鏡下的位錯觀察③面缺陷—晶界與亞晶界晶界是不同位向晶粒的過度部位，寬度為5~10個原子間距，位向差一般為20~40°。亞晶粒大角度和小角度晶界位錯壁亞晶粒是組成晶粒的尺寸很小，位向差也很小(10’~2)的小晶塊。亞晶粒之間的交界面稱亞晶界。亞晶界也可看作位錯壁。晶界的特點：①

原子排列不規(guī)則。②

熔點低。③

耐蝕性差。④

易產(chǎn)生內(nèi)吸附，外來原子易在晶界偏聚。⑤

阻礙位錯運(yùn)動，是強(qiáng)化部位，因而實際使用的金屬力求獲得細(xì)晶粒。⑥

是相變的優(yōu)先形核部位

顯微組織的顯示3、合金的晶體結(jié)構(gòu)合金是指由兩種或兩種以上元素組成的具有金屬特性的物質(zhì)。組成合金的元素可以是全部是金屬，也可是金屬與非金屬。組成合金的元素相互作用可形成不同的相。Al-Cu兩相合金黃銅所謂相是指金屬或合金中凡成分相同、結(jié)構(gòu)相同，并與其它部分有界面分開的均勻組成部分。顯微組織實質(zhì)上是指在顯微鏡下觀察到的金屬中各相或各晶粒的形態(tài)、數(shù)量、大小和分布的組合。固態(tài)合金中的相分為固溶體和金屬化合物兩類。單相合金兩相合金⑴固溶體合金中其結(jié)構(gòu)與組成元素之一的晶體結(jié)構(gòu)相同的固相稱固溶體。習(xí)慣以、、表示。與合金晶體結(jié)構(gòu)相同的元素稱溶劑。其它元素稱溶質(zhì)。固溶體是合金的重要組成相，實際合金多是單相固溶體合金或以固溶體為基的合金。按溶質(zhì)原子所處位置分為置換固溶體和間隙固溶體。Cu-Ni置換固溶體Fe-C間隙固溶體①

置換固溶體溶質(zhì)原子占據(jù)溶劑晶格某些結(jié)點位置所形成的固溶體。溶質(zhì)原子呈無序分布的稱無序固溶體，呈有序分布的稱有序固溶體。黃銅置換固溶體組織②

間隙固溶體溶質(zhì)原子嵌入溶劑晶格間隙所形成的固溶體。形成間隙固溶體的溶質(zhì)元素是原子半徑較小的非金屬元素，如C、N、B等，而溶劑元素一般是過渡族元素。形成間隙固溶體的一般規(guī)律為r質(zhì)/r劑<0.59。間隙固溶體都是無序固溶體。③固溶體的溶解度溶質(zhì)原子在固溶體中的極限濃度。溶解度有一定限度的固溶體稱有限固溶體。組成元素?zé)o限互溶的固溶體稱無限固溶體。組成元素原子半徑、電化學(xué)特性相近，晶格類型相同的置換固溶體，才有可能形成無限固溶體。間隙固溶體都是有限固溶體。Cu-Ni無限固溶體Cu-Zn有限固溶體固溶體化合物④

固溶體的性能隨溶質(zhì)含量增加,固溶體的強(qiáng)度、硬度增加,塑性、韌性下降—固溶強(qiáng)化。產(chǎn)生固溶強(qiáng)化的原因是溶質(zhì)原子使晶格發(fā)生畸變及對位錯的釘扎作用。與純金屬相比，固溶體的強(qiáng)度、硬度高，塑性、韌性低。但與化合物相比，其硬度要低得多，而塑性和韌性則要高得多。⑵金屬化合物合金中其晶體結(jié)構(gòu)與組成元素的晶體結(jié)構(gòu)均不相同的固相稱金屬化合物。金屬化合物具有較高的熔點、硬度和脆性，并可用分子式表示其組成。鐵碳合金中的Fe3C當(dāng)合金中出現(xiàn)金屬化合物時，可提高其強(qiáng)度、硬度和耐磨性，但降低塑性。金屬化合物也是合金的重要組成相。①正常價化合物—符合正常原子價規(guī)律。如Mg2Si②

電子化合物—符合電子濃度規(guī)律。如Cu3Sn。

電子濃度為價電子數(shù)與原子數(shù)的比值。③間隙化合物—由過渡族元素與C、N、B、H等小原子半徑的非金屬元素組成。Al-Mg-Si合金中的Mg2SiPb基軸承合金中的電子化合物a.間隙相：r非/r金0.59時形成的具有簡單晶格結(jié)構(gòu)的間隙化合物。如M4X